二次换热无感空气循环烘箱设计*

□ 谢昱北 □ 肖加奇 □ 黄 涛

中国石油集团长城钻探工程有限公司 测井技术研究院 北京 100206

阵列感应测井仪器线圈系的关键部分由多个单侧布置的三线圈天线阵列 （例如7个三线圈天线阵列）构成，并且工作在多个频率模式下［1］。线圈天线阵列的精度对测量精度起决定性作用，常用的结构是使用导线绕制在某种绝缘基体上形成线圈天线，缠绕之后的线圈天线绝缘基体沿着仪器的轴线依次排列组成线圈天线阵列，这些线圈天线阵列便构成线圈系［2］。在测井过程中，环境温度可达180℃，探头内部测井环境具有相同的温度［3］。测井环境下，零件具有热膨胀效应，当仪器所处环境的温度改变时，会导致仪器线圈天线绝缘基体的尺寸发生变化，于是线圈系的线圈面积和线圈之间的距离等几何结构会微小改变，这种由温度变化引起的测量偏差称为温度效应。为消除温度效应，感应仪器一般通过温度实验的方法来获得温度和温度效应之间的定量关系，然后再通过数据处理来补偿温度效应，这个过程称为温度校正［4］。烘箱的主要功能是为被测试的感应仪器提供一定温度范围内的可控温度测试环境，从而实现上述的温度校正过程。本烘箱的温度控制需要达到一定精度和均匀性要求和模拟测井环境，目前常用的烘箱是对材料进行烧结、回火、退火等的热处理设备［5］，腔体材料为金属材料，不能满足感应测井仪器温度校正的要求。

1 烘箱的结构

1.1 总体结构

如图1所示，二次换热烘箱的循环系统包括内循环和外循环两路，内循环为一次换热，外循环为二次换热。内循环系统主要包括电加热换热器1、电加热换热管道2，以及电加热换热器风机3。外循环系统主要包括循环风机8、烘箱出风管道9、烘箱体10，以及烘箱进风管道12。内循环的热源是位于电加热换热器1中的大功率电加热管，外循环的热源是位于电加热换热器1中的换热器。烘箱体10是用来进行温度校正的空腔，工作时把感应测井仪器推入到烘箱体10中进行温度校正。

图1 二次换热无感空气循环烘箱的立体图

内循环的热源是位于电加热换热器1中的大功率电加热管，电加热换热器风机3提供内循环的动力，电加热换热管道2位于电加热换热器1上并连接两者。外循环的热源是位于电加热换热器1中的换热器，循环风机8提供外循环的动力，烘箱进风管道12和烘箱出风管道9连接烘箱体10和电加热换热器1，内、外循环的介质均为空气，管道架13为烘箱进风管道12和烘箱出风管道9提供良好的固定支撑。

如图2所示，虚线的左侧为无感烘箱的金属区，虚线的右侧为无感烘箱的非金属区，即无感区。烘箱体全部由非金属材料制成，包括木料、工程塑料、工程陶瓷和非金属保温材料。烘箱体的保温层为多层构造。烘箱体由进风通道、工作通道和出风通道构成，进风通道连接烘箱进风管道，出风通道连接烘箱出风管道。工作时把感应测井仪器自左向右推入到烘箱体中的工作通道并进行温度校正。烘箱进风管道和烘箱出风管道也全为非金属材料制成。

图2 二次换热无感空气循环烘箱的俯视图

1.2 烘箱体结构

在图3中，烘箱体由进风通道11、工作通道12和出风通道5构成，进风通道通过注风口6连接烘箱进风管道，出风通道通5过出风口3连接烘箱出风管道。热空气从注风口16注入进风管道，通过工作通道12流经出风通道5后由出风口3流出。在烘箱体的两端分别有前门2和后门17，分别安装在前端盖1和后端盖7上。前门2和后门17的材料可以是陶瓷或聚四氟乙烯。仪器进入烘箱体后门17关闭，保证温腔内温度的均匀性。前端盖1和后端盖7的保温材料为硅酸铝陶瓷。前门2留有测量仪器接线穿出孔，整个后门17设为爆炸卸压口，确保设备和人员的安全，后门留有硅油管线（软管）出口，直径20 mm。

图3 烘箱体长度方向剖视图

如图3所示，烘箱体由宽向木框8、高向木框9和长向木框10三个方向的木框榫卯连接成形，这些木框作为烘箱体的支撑构件。宽向木框8给出的是其截面的位置，烘箱体在长度方向分为两段可拆卸的结构，从而方便设备的拆装。通过烘箱体连接螺栓6连接两段烘箱体，从而形成一个整体，烘箱体连接螺栓6连接的是两段烘箱体的宽向木框8和高向木框9。

如图4所示，烘箱体的内壁PTFE衬板11采用聚四氟乙烯（PTFE）板料制成，耐温性能良好，使用可靠性高。烘箱体的保温层包括硅酸铝板12和硅酸铝纤维13，外壳14为玻璃钢绝缘板。烘箱体由内至外依次为PTFE衬板11、硅酸铝板12、硅酸铝纤维13以及外壳14，通过聚四氟乙烯的螺栓15把PTFE衬板11、硅酸铝板12和硅酸铝纤维13紧固在外壳上。外壳14通过尼龙螺栓紧固在3个方向的木框上。

烘箱体内的上部设有由上活动调节板3和上固定调节板5组成的布气板，上活动调节板3和上固定调节板5上具有很多孔，通过上调节杆4的水平移动，调节上活动调节板3对上固定调节板5的相对位置以实现出风孔大小的调节，水平方向为烘箱体的宽度方向。同样，在烘箱体内的下部设有由下活动调节板8和下固定调节板10组成的布气板，下调节杆9为实现下活动调节板8移动的调节螺杆。通过下活动调节板8对下固定调节板10的相对位置的调节以实现进风开度的调节。于是，沿烘箱体长度方向具有不同大小的孔，实现在不同长度位置上进风孔和出风口大小的调节，确保了烘箱体内温度均匀性。上述多处调节板的材料均为陶瓷。

如图3所示，仪器导向用的滚轮装配15安装在U型支架14上，在烘箱体的工作通道12中沿着长度方向依次均匀排开，保证仪器受力均匀。如图4所示，滚轮装配包括滚轮6和衬套7。滚轮6的两端通过衬套7安装在U型支架两端的凹槽里。衬套7的材料为聚四氟乙烯，作为滚轮6转动的轴瓦，要确保较小的摩擦力，U型支架和滚轮6的材料均为陶瓷。U型支架的下底面具有很多孔，这些孔为连通进风通道和工作通道的风孔。

如图4所示，烘箱体由上盖板1和侧盖板2构成。上盖板1和侧盖板2为电工板，并通过尼龙螺栓紧固在多处木质的木框上，结实美观。上盖板1和侧盖板2同外壳14之间具有一定的距离，从而确保烘箱体不会产生过高的温度。

图4 烘箱体的宽度方向剖视图

1.3 电加热器结构

电加热换热器由加热器和换热器两部分组成，加热器的加热元件采用带翅片电热管，经过电热管加热的一次循环热空气为二次循环热空气提供热源。一次风道中热空气温度控制在280℃以内，低于感应测井仪器内含油品的闪点。可保证在油品泄漏时设备的安全运行。换热器采用管壳式换热器，保证控制灵敏度。两个热空气循环风机与电加热器实现连锁控制，即开始工作时，必须先启动风机，再启动电加热器。

经电加热换热器换热的空气由循环风机吹入烘箱体的腔体内，经过烘箱体腔体循环后再由出风管道回到电加热换热器。通过烘箱体腔体内的控温热电偶，闭环控制加热器的加热功率。如果箱体腔体要求的降温速率大于自然降温速率，通过进风阀和排风阀向腔体补充冷空气、排出热空气，风量由手动阀的开启度决定。

1.4 测控系统

一次热空气测控系统由铂电阻、测温仪、超温报警执行电路组成，其功能是保证电加热换热器的一次热空气温度控制在280℃以内，以保证设备的安全运行。

烘箱体腔体的温度主要由安装于腔体中段的控温铂电阻、温控仪和过零触发可控硅模块组成的温度闭环控制系统控制，通过PID调整温控仪对电加热器的加热功率进行调节，控制腔体循环热空气的温度，实现腔体温度的自动控制。如果腔体的降温速率大于自然降温速率，通过进风阀和排风阀向腔体补充冷空气、排出热空气，已满足降温速率要求。腔体温度测量系统有两路，由安装于腔体左、右段的测量铂电阻、测温仪组成，用于监测腔体温度。

2 均匀性计算

根据上述设计，使用SolidWorks对烘箱进行了建模，并使用SolidWorks Flow Simulation插件对烘箱体进行了计算流体分析［6］。多次优化结果表明，上下孔径40 mm、中间板为12 mm的设计可以满足要求。图5给出了烘箱体的温度场分布，取某时刻的环境温度，例如入口温度为393K（120℃）。截取温度下限为温度上限的-6K，即387K。经测定满足设计要求，即烘箱的温度均匀度小于±3℃。图6给出了烘箱体内的速度场分布，可见仪器层形成了明显的平行风带，有利于温度均匀。

图5 烘箱体的温度场分布

图6 烘箱体内的速度场分布

3 特点

二次换热无感空气循环烘箱设计具有如下的优点：

1）二次换热的具体实施包括内循环和外循环两路，内循环为一次换热，外循环为二次换热。一次风道中热空气温度控制在280℃以内，低于感应测井仪器内含油品的闪点，可保证在油品泄漏时设备的安全运行。

2）烘箱体全部由非金属材料制成，包括木料、工程塑料、工程陶瓷和非金属保温材料，烘箱进风管道和烘箱出风管道由非金属材料制成。保证了无感测试环境，确保不能干扰感应仪器温度校正过程。烘箱体在长度方向分为两段可拆卸的结构，从而方便设备的拆装。

3）烘箱体的保温层包括硅酸铝板和硅酸铝纤维，外壳为玻璃钢绝缘板，烘箱体由内至外依次为聚四氟乙烯板，硅酸铝板和硅酸铝纤维，以及外壳。保温结构简单有效。外壳外面有盖板，并通过尼龙螺栓紧固在多处木质的木框上，结实美观。盖板为烘箱体的最外层，可防止温度过高。

4）使用Solidworks Flow Simulation插件对烘箱的烘箱体的进行了流体分析，温度场均匀性满足设计要求，对烘箱体的结构设计及实施提供了有力的依据。

［1］ 罗明和，陈永茂，徐涛，等.阵列感应的探测特性及其信息应用［J］.石油仪器，2011，25（3）：67-69.

［2］ 谢昱北，黄涛，郝永杰，等.可加工陶瓷精密管状线圈绝缘体［P］.中国专利，201120369439.3，2011-9-30.

［3］ 赵昕.石油测井仪器的耐高压设计 ［J］.石油仪器，2009，23（2）：12-14.

［4］ J Xiao，J Buchanan，M Bittar，et al.A New Asymmetrical Array Induction Logging Tool ［C］.SPE Annual Technical Conference and Exhibition，Texas USA，2006.

［5］ 汤明元.热空气循环烘箱 ［P］.中国专利，200710045-717.8，2007-09-07.

［6］ 谢昱北，许晔.SolidWorks2007中文版机械设计与典型范例［M］.北京：电子工业出版社，2007.